基于波长扫描差分吸收光谱技术的天然气管道泄漏检测仪

基于波长扫描差分吸收光谱技术的天然气管道泄漏检测仪

管道泄漏检测技术随着管道的增加和管道运行时间的延长，管道泄漏事故频繁发生，给人们的生命财产安全带来了重大威胁。尤其管道泄漏后,不仅造成经济上的损失,而且会污染环境,甚至引起火灾和爆炸。我国目前已建成管道400多条,其中很多管线已经接近或者超过20年,有的甚至处于超龄服役阶段,因此管道天然气泄漏事故时有发生。如果能及时发现泄漏。准确定位泄漏源,就能有效减轻泄漏事故造成的损失和危害。目前管道泄漏检测技术主要包括电缆光纤泄漏检测法、声波检漏法、基于管道模型泄漏检测法、压力梯度法、质量流量平衡法、负压波方法、天然气管道的内部漏磁检测等方法。管道泄漏检测技术是多学科知识的综合,各种方法有自己的特点、优点和缺点。目前国际上已经采用一种利用激光吸收光谱在线遥测天然气管道泄漏与定位,该方法具有快捷、准确、智能及安全等特点。本文在无合作目标背景下使用1.65μm分布反馈式(DFB)激光器对甲烷气体进行远程遥测,这种单模半导体激光器受到10kHz的高频率锯齿波来回扫描单根甲烷的吸收线,利用一个反相未吸收的参考信号进行噪声对消,定量获得差分吸收光谱,经过浓度反演获得光学路径上甲烷气体的积分浓度,实现移动遥测开放空间是否存在天然气泄漏,从而定位泄漏源。1气体吸收及波长定标系统差分吸收和谐波检测方法都是最常用的弱吸收检测方法。两种方法都可以通过半导体激光器实现,因为一个半导体激光器频率可以很容易通过改变注入电流来控制。差分吸收能实现1×10-4的最小可检测的吸收,而且易于实现,对于CH4分子在1.65μm处的吸收线强为8.7×1022,线宽为0.05cm-1,理论计算差分吸收情况下检测下限为7ppm·m。气体吸收遵循比尔定律,当强度为I0,频率为ν的单色激光,通过长度为L的吸收介质后,在接收端测得的强度为I(ν)Ι(ν)=Ι0(ν)exp(-σ(ν)ΝL)(1)I(ν)=I0(ν)exp(−σ(ν)NL)(1)其中,N为分子数密度,σ(ν)为气体分子的吸收截面。常压下气体分子的吸收线形可以用Lorenz线形描述,分子吸收截面可以表示为σ(ν)=SπνL(ν-ν0)2+ν2L(2)σ(ν)=SπνL(ν−ν0)2+ν2L(2)其中S为吸收线强,νL为吸收线形半高半宽。吸收线中心的吸收截面为σ(ν0)=SπνL(3)σ(ν0)=SπνL(3)在弱吸收情况下(σ(ν)NL≪0.05),激光对光强的吸收可以近似的表示为ΔΙ(ν)Ι0(ν)=σ(ν)ΝL(4)ΔI(ν)I0(ν)=σ(ν)NL(4)式(4)即对不同频率光强的吸收比率。完整的一条光谱吸收通过对一条光谱进行频率积分,表述如下absorb=∫νσ(ν)ΝL(5)absorb=∫νσ(ν)NL(5)实际测量中得到的差分吸收光谱是时域下的,需要通过标准具将采样点的时间转换到对应激光频域的波长,从而得到吸收absorb,计算式(5),在气体吸收光程L已知的情况下,可以得到待测气体浓度。系统结构图如图1所示,主要包括激光器及激光器控制电路,激光器利用10kHz的高频锯齿波来改变注入电流实现波长扫描。激光束分成3束,其中第一束经过波长定标池,实现波长定标;第二束激光不经过吸收直接由高灵敏InGaAs探测器反相接收,进入噪声对消电路,作为参考信号;第三束激光,由铠装单模光纤传输到遥测收发望远镜,遥测的回波信号经相同的光电探测器正相接收,再进入噪声对消电路。噪声对消电路主要完成两路信号的自动增益放大与直流对消,从而得到差分吸收光谱,通过这种方法减弱了激光二极管固有噪声,与电源纹波噪声的干扰。2小波去噪分析方法遥测回波信号中往往含有大量的背景噪声信息,这些叠加在有用信号中的噪声信息使得真实物理量的有用信息很难直接从观测信号中提取出来。为了提取感兴趣的有用数据,必须对传感器采集的数据进行滤波处理滤除无用的噪声信号,还原出被噪声污染之前的原始信号。在遥测天然气泄漏系统中,遥测回波信号非常微弱,通过弱信号处理电路处理后的差分吸收光谱信号经转换为数字信号,这样的数字光谱信号仍然难以直接用于气体浓度的反演,需要进一步的数字降噪处理。针对傅立叶变换的缺陷,本工作提出了小波去噪分析方法在吸收光谱中的应用。如图2,其中,(a)为遥测回波信号经噪声对消后的差分吸收光谱信号,计算此时的信噪比为13.7dB,(b)为硬阈值去噪结果,(c)为软阈值去噪结果,(d)为改进软阈值去噪结果。可以看出,应用硬阈值去噪处理后的信号光滑度差,但是信号形状保存还可以,软阈值去噪,光滑度不错,但是信号有较大的失真,而改进软阈值法的去噪结果更加平滑,且对有用信号的形状保留也比较好。通过计算,信噪比分别为:17.39,31.35和40.56dB。可见,改进软阈值法更好地抑制了噪声信号,系统信噪比提高了3倍多,同时处理后的差分吸收光谱线型接近甲烷气体在大气压下的吸收线型。3非气体吸收信号的获取在遥测中,回波信号易受到外界干扰,强噪声叠加到吸收光谱中而导致假吸收现象,通过噪声对消电路处理得到的差分吸收光谱如图2(a)所示,对于非气体吸收信号,采用式(6)中一元线性回归的相关系数进行筛选,实验研究发现遥测回波吸收光谱和内标池吸收光谱的相关性一般都要在0.75以上,在软件上对小于这个相关系数的吸收光谱个数进行多次累加判断,一般累加到3次可实现泄漏零误报效果,判别通过图3的流程在VC++环境下得到实现。R=n∑i=1(xi-ˉx)(yi-ˉy)√n∑i=1(xi-ˉx)2n∑i=1(yi-ˉy)2(6)4激光束光斑大小的影响在静态环境下,对遥测回波信号特性进行了研究。根据回波信号强度式(7),回波光强与距离的平方成反比,与目标的反射率以及有效光学接收面积成正比。如图4所示,系统的遥测回波信号强度随着距离的变化而先有增大的趋势后呈单调递减。分析原因,主要因系统所采用光学收发望远镜是同轴方式,由于接收望远镜的接收盲区发生变化,在距离发射端时,望远镜接收盲区变大,光学有效接收面积比较小,回来的激光基本被发射部分遮挡住了,探测器接收到的光子数比较少,导致系统信噪比差;当激光束的直径大于发射端的孔径时,望远镜的盲区渐渐减小,光斑的接收有效面积渐渐变大,探测器接收到的光字数也增加,直到遥测距离达到5m左右,出现回波光强的最大值;随着距离的变大,光学接收有效面积变大的速度小于距离平方的增加速度,所以接收到的光子数呈单调递减的趋势。ΡDC=(AcolRdifηoptR2)Ρout(7)其中:Acol=有效光学接收面积(m2),Rdif=背景的反射率,ηopt=光学效率,R=激光发射和目标背景之间的距离(m),Pout=激光输出功率(W)。表1给出了不同目标背景下的激光最大可遥测距离(最小信号可用于浓度测量),所采用的目标背景主要有:白色墙壁、砖块、树叶、草坪、白色衣物、干净的雪、书本、水泥路面、很脏的水面、金属表面、泥土面、以及很脏的雪。其中最大的遥测距离为37米,最小可遥测距离只有3m。激光后向散射对系统的遥测灵敏度有直接影响,本实验分析了不同后向散射光强下系统监测灵敏度(S∶N=1∶1)。在光学路径上放置一个长5cm的标气池,里面冲入5%的甲烷标气,换成积分浓度为:2500ppm·m,决定最小可探测限的关键因素是有多少后向散射的光子能被探测器接收;实验以不同的发射功率激光束遥测同一目标反射物,测量光路路径中的气体,通过信噪比分析,获得不同接收光强下系统监测灵敏度,如图5所示,遥测光强为530nA时,最小可遥测灵敏度达到80ppm·m,系统最小可探测浓度和接收的光强成反比,同时也可以看出系统存在一个固定的本底噪声。5实验结果及分析利用高频锯齿信号扫描一条完整光谱吸收的方式实现泄漏检测,可以实现远距离检测泄漏量。如图6所示,在静态环境下,进行了系统响应的实验研究,我们扫描的频率为10kHz,得到一条吸收光谱需要的时间为0.0001s,为了提高信噪比,在采集吸收光谱后进行了累加平均,根据Allan方差得到的最佳平均次数大约为128次,再经过小波去噪的数字信号处理后回归拟合反演甲烷气体浓度,利用式(6)实现一元线性回归消除奇泄漏异值,实验中选择N=3时基本实现误判率为0的判别效果,所有过程经过估算不超过0.08s,而实际测量得到系统的响应时间为0.139s。可以看出,检测到泄漏时直接出现一个比较大的泄漏值,原因在于软件上对泄漏进行累加判别,直到泄漏次数达到累加次数N=3时,才认为是天然气泄漏,因此开始舍去前3次的泄漏值,才出现泄漏,同时,由于在测试系统响应时,气体泄漏排放的时间比较短,气体在光学路径上的扩散很快,遥测浓度值慢慢下降,很快降至零。6激光光束路径模拟泄漏实验最后模拟了天然气泄漏实验,模拟的实验条件是:(1)采用5%的甲烷表气作为泄漏气体;(2)遥测距离为30m,遥测反射背景为白色的墙壁。气体流量控制在20kg·h-1,因在外场实验,当时东北风1～2级,如图7所示,首先在激光光束路径上进行模拟泄漏实验,实验中选择在激光发射端、白色墙壁上和光束中间的位置处进行泄漏实验,在三个不同的位置处获得的泄漏检测结果基本差不多,因遥测得到的浓度是光学路径的积分浓度,符合气体吸收光谱理论。同时也在光束垂直面上不同位置处模拟天然气泄漏,垂直距离分别在0.5m处和1m处,利用气体扩散到光学路径上进行遥测定量分析,当在不同位置处泄漏时,气体扩散到激光光束上的含量多少,可以实时遥测,结果可以看出随着泄漏源垂直距离的变大遥测结果变小,其原因是垂直距离较远时气体扩散到光学路径上的气体含量比较少。7提高系统信噪比利用波长扫描差分吸收光谱技术实现了在无合作目标背景下天然气泄漏的定量遥测。针对回